新型3D打印组织可模拟真实皮肤，用于医学培训

时间：2025-10-16 09:25 来源：未知作者：admin 阅读：次

2025年10月15日，明尼苏达大学和华盛顿大学的研究人员开发了一种 3D 打印方法，可以复制人体组织的方向力学，为医学模拟和外科手术训练带来更高的真实感。相关研究以题为“3D printed anisotropic tissuesimulants with embedded fluid capsules for medical simulation and training”的论文发表在《科学进展》上。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw6446

人体组织是各向异性的，这意味着由于胶原蛋白和弹性蛋白纤维的排列方向不同，刚度和弹性会随方向变化。传统的铸造硅胶模型无法模拟这种特性，因此明尼苏达大学机械工程学教授迈克尔·麦卡尔平的团队开发了一种3D打印方法，通过在体素尺度上控制丝状体的几何形状来引入各向异性。

通过调整打印线的高度、间距和材料成分，他们创建了刚度比与真实组织相匹配的结构。上述论文中提出的一个数学模型准确地预测了这些效应，测试证实了与人体皮肤相当的可调各向异性，沿打印纤维方向的刚度比超过1.5:1。

△细胞体素模型的设计和表征。图片来自 Science Advances。

用于外科手术训练的各向异性皮肤模型

为了演示该方法，研究人员制作了一个3D打印的人体颈部组织模型，用于环甲膜切开术训练，这是一种高风险的紧急气道手术。模型被称为“环甲膜皮球”，由代表皮肤和皮下区域的多层硅胶组织组成，机械行为经过定制，以复制人体颈部组织的各向异性特性。

每层的打印路径均通过自定义算法生成，算法根据颈部胶原纤维方向（通过偏振敏感的光学相干断层扫描测量）来确定打印线的方向。这确保了打印模拟物的局部机械响应与真实组织结构相符。打印系统采用标准龙门式挤出打印机，并配备容积式计量泵，以确保材料丝的均匀沉积。喷嘴位置的调整可补偿非平面表面的曲率，从而在模型的双曲面几何形状上保持精确沉积。这些改进使得无需多轴机器人系统即可生产出针对特定患者的、机械精确的模拟物。

为了进一步增强真实感，研究人员将充满液体的微胶囊集成到打印的组织中，以重现切割时的出血现象。这些胶囊采用微流体双乳液工艺制造，将水性红色染料封装在一层薄薄的聚苯乙烯外壳内。将胶囊与剪切稀化水凝胶混合，沉积在打印的皮肤和皮下层之间，然后密封。当胶囊被压缩或切开时，胶囊会破裂并释放出有色液体，模拟血液流动。胶囊可保持数周稳定，不会发生泄漏，并且可以通过在制造过程中调整流速来调整尺寸和破裂强度。

研究人员与西雅图金县Medic One组织的医护人员进行了一项可接受性比较研究。参与者分别对传统铸造硅胶假体和3D打印各向异性硅胶假体进行了环甲膜切开术。调查结果显示，3D打印模型在触诊和切割时提供了更逼真的触觉响应，出血行为也更逼真。这些差异具有统计学意义，尤其是在与皮肤触感和切口真实感相关的类别中。这套工艺与标准 3D 打印硬件和材料兼容，为医疗培训应用提供可扩展性。

由于各向异性是通过打印几何形状而非嵌入纤维或复杂复合材料实现的，该方法避免了限制先前设计的刚度增加。相同的框架可以适用于其他器官模型，从而可以定向调整机械性能，使其与心脏、血管或肌肉骨骼组织的机械性能相匹配。

△注入充满液体的胶囊来模拟出血。图片来自 Science Advances。

扩展3D打印在医学模拟中的应用

作为一个典型的用例，3D 打印有助于为各种手术创建解剖和机械上精确的训练模型，并为需要精确机械响应的医疗设备开发逼真的测试平台。2021年，医学解剖模型制造商Biomodex推出了一款用于经隔膜穿刺（TP）的3D打印训练系统，旨在复制真实心脏组织的几何形状、触觉和触觉反馈，同时保持超声兼容性。模型由一个可重复使用的心脏框架和一个可在练习过程中刺穿的一次性隔膜盒组成。

Biomodex 采用专有 INVIVOTECH 和 ECHOTECH 工艺，打印了多材料解剖双胞胎，模拟了人体组织的机械和声学特性。打印系统使电生理学家能够在逼真的生物力学和影像引导下进行训练，从而缩短了这种复杂心脏手术的学习曲线。

西英格兰大学精细印刷研究中心的研究人员开发了3D 打印器官模拟器，可以复制人体组织的外观、弹性和一致性，用于外科手术训练。项目由挪威科技大学(NTNU) ApPEARS 项目资助，由 David Huson 领导，结合 3D 打印和铸造技术，制作了低成本、高保真度的十二指肠、胆囊、肝脏、胰腺和胆管模型，用于腹腔镜胆管探查训练。这些原型由多种材料制成，而非硅胶，并复制了软组织的声学特性，从而实现了逼真的超声引导练习，并减少了对尸体或动物模型的依赖。

(责任编辑：admin)

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